961

Prozessorientierte Biomassebewertung

Prozessorientierte Biomassebewertung

Daniel Bernhardt, Angelika Lyczkowska, Hans-Joachim Gehrmann, Tobias Seufert und Stefan Vodegel

1. Projektrelevante Biomassen .............................................................................961

2. Techniken der deutschen Holzheizkraftwerke ..............................................962

3. Brennstoffanalysen ............................................................................................964

4. Kalorische Werte ...............................................................................................966

5. Ascheschmelzverhalten ....................................................................................968

6. Abschätzung Verschlackungsrisiko ................................................................971

7. Ausblick ..............................................................................................................972

8. Verwendete Quellen .........................................................................................972

Holzheizkraftwerke bilden eine bedeutende Grundlage für die Strom- und Wärmebereit-stellung bei den regenerativen Energien. In Deutschland wird der weitere Ausbau durch die fehlende Marktverfügbarkeit von Holz zu wirtschaftlichen Preisen beschränkt. Darüber hinaus bedroht der Anstieg des Bezugspreises sogar die Existenz bestehender Kraftwerke. Wünschenswert ist zumindest der teilweise Ersatz durch andere Biomassen. Das Interesse an technischen Lösungsmöglichkeiten hierfür ist hoch.

Vier Partner verschiedener Forschungsinstitute bekommen seit Juli 2011 in einem durch das BMWi über die GVT geförderten Forschungsvorhaben die Gelegenheit, wissenschaft-liche Grundlagen für die Brennstoffergänzungen zu erarbeiten. Die bei einer Verbrennung ablaufenden Vorgänge der Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung sollen in verschiedenen Labor- und Technikumseinrichtungen für sechs verschiedene Biomassegruppen detailliert ermittelt werden.

1. Projektrelevante BiomassenUm die Basis für den Biomassebezug der Kraftwerke möglichst breit zu gestalten, erfolgte die Definition von sechs Gruppen, deren Vertreter absehbar unterschiedliche Eigenschaften voneinander haben. Es handelt sich um:

1. Holzartige Biomassen mit einer Hackschnitzelsorte (HHS) als Referenz (z.B. KUPs),2. Halmartige (z.B. Weizenstroh, Szarvasi, Switchgras),3. Fruchtstämmige (z.B. Kirschkerne, Haselnussschalen),4. Reste aus der landwirtschaftlichen Produktion (z.B. Grünschnitt, Getreidereststoffe),5. Reste aus der Lebensmittelherstellung (z.B. Zuckerrübenschnitzel, Rohkaffeestäube,

Biertreber),6. Reste aus der anaeroben Zersetzung (Gärreste).

CzaplewskiTextfeldBernhardt, D.; Lyczkowska, A.; Gehrmann, H.-J.; Seufert, T.; Vodegel, S.: Prozessorientierte Biomassebewertung. In: Beckmann, M.; Hurtado, A.: Kraftwerkstechnik - Sichere und nachhaltige Energieversorgung, Band 4. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S.961-974. ISBN 978-3-935317-87-0

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

962

2. Techniken der deutschen HolzheizkraftwerkeUm die Auswirkung von Brennstoffwechseln abzuschätzen, soll als erstes ein Eindruck vermittelt werden, wieviele Kraftwerke mit welchen Technologien denn überhaupt betroffen sein könnten:

Nach einer Erhebung des DBFZ [1] waren bis Ende 2011 in Deutschland 260 Biomasse-kraftwerke am Netz. 66,5 % der Anlagen arbeiteten in der Leistungsklasse bis 5 MWel, den Großteil der elektrischen Energie mit 53,6 % lieferten die großen Kraftwerke der Klasse 10 bis 20 MWel. Gemäß einer Studie des VGB PowerTech [2], durchgeführt durch die Trans-ferstelle Bingen, hängt die Wirtschaftlichkeit hauptsächlich von den Parametern elektri-scher und thermischer Wirkungsgrad sowie der Verfügbarkeit ab. Reisezeitbegrenzende Kriterien liegen meist bei der Verschmutzung der Nachschaltheizflächen sowie Korrosion und Erosion, wenn v.a. Altholz eingesetzt wird. Bei naturbelassenem Holz ist die Störan-fälligkeit wesentlich geringer, wobei dann v.a. die Baugruppen Rost oder Wirbelschicht und Brennstoffweg genannt werden. Beim Wechsel von Holz auf andere Biomassen mit neuen mechanischen und thermischen Eigenschaften muss mit Störungen mindestens aller genannten Baugruppen gerechnet werden. Hinzu kommen die Auswirkungen auf die Gasreinigung.

Um Quantität und Qualität betroffener Technologien für Brennstoffergänzungen als Funk-tion der Anlagengröße zu ermitteln, wurde eine deutschlandweite Erhebung durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit Literaturwerten auf Plausibilität überprüft.

Die Datenlage umfasst bei weitem nicht den gesamten Anlagenbestand. Daher sind im Folgenden auch keine Prozentangaben gemacht. Trotzdem sind die Ergebnisse für die Fragestellung interessant. So zeigt die Auswertung für die Feuerungsarten, dass bis zu einer Leistung von 15 MWel die Rostfeuerungen vorherrschen. Ab dieser Größenordnung steigt die Bedeutung von Wirbelschichten stark an (Abbildung 1), wobei Systeme mit Zirkulation dominieren.

≤ 15 > 15

20

15

10

5

≤ 10 0 0 0

20

1 1

5

1

87

Einblasfeuerung-Kombi.

≤ 5 ≤ 100

Wirbelschicht Rostfeuerung

6

9

20Anzahl

elektrische Leistungsabgabe MW

Abb. 1:

Verteilung der Feuerungstech-niken als Funktion der elektri-schen Leistungsabgabe

Bei den sehr kleinen Anlagen bis etwa 0,3 MWel ist v.a. mit Unterschubrosten zu rechnen, ab 16 kWel bis 30 MWel mit Vorschubrosten sowie ab 30 kWel bis 30 MWel auch mit Vibra-tionsrosten. Wanderroste sind ab 400 kWel bis 35 MWel interessant (Bem.: alles ca-Werte) [3,4]. Rückschub- sowie Walzenroste spielen bei der Biomassefeuerung keine Rolle.

Bei den Stromerzeugungsarten hat sich in den letzten Jahren ein Wandel vollzogen: ORC-Anlagen gewannen im kleinen Bereich bis etwa 5 MWel stark an Bedeutung (Abbildung 2).

963

Prozessorientierte Biomassebewertung

Gemäß der Erhebung aus DBFZ; TLL [1] sind in Deutschland mittlerweile 85 Anlagen mit dieser Technologie in Betrieb.

Mit der Holzvergasungsanlage in Senden ist in 2011 ein Blockheizkraftwerk einer Leistung von knapp 5 MWel hinzugekommen.

Besonders zu beachten sind die vorhandenen Abgasreinigungen, da Emissionen beim Wechsel von Holz auf andere Biomassen ansteigen werden. Viele Anlagen sind auf eine reine Entstaubung ausgelegt; unterstützt oft durch eine Entstickung (Abbildung 3).

Abb. 2:

Stromerzeugungsarten als Funk-tion der elektrischen Leistungs-abgabe

Deutlich zu erkennen ist, dass Wäscher nahezu keine Rolle spielen. Vorherrschend sind trockene Abgasreinigungen mit Zyklon und Gewebefilter, wobei bei Anlagen mit A III- und A IV-Holz-Zulassung i.d.R. Adsorbens eingedüst wird, so dass das Filter als Filter-schichtadsorber arbeiten kann. Zur Entstickung sind etwa 25 % der Anlagen gemäß dieser Erhebung mit einer SNCR ausgerüstet. Elektrofilter sind bis zu einer Leistungsklasse von 10 MWel stark vertreten.

Die Erhebung sowie vorliegende Literatur zeigen bei den existierenden Holzheizkraftwerken gewisse Strukturen in den eingesetzten Techniken. Die Forschungsarbeiten werden sich darauf einzustellen haben.

Abb. 3:

Abgasreinigungstechniken als Funktion der elektrischen Leis-tungsabgabe

≤ 15 > 15

25

20

15

10

5

≤ 1

Gasmotor

≤ 5 ≤ 10elektrische Leistungsabgabe MW

0 0

7

1 1

12

22

76

10 00 00

ORC Wasserdampf

14

Anzahl

≤ 15 > 15

15

10

5

≤ 1

Wäsche

≤ 5 ≤ 100 0

11

76 6

88

11 1112

4

11

4

7

2 23

5

1 10 0 00

SNCR Gewebefilter Elektrofilter Zyklonelektrische Leistungsabgabe MW

Anzahl

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

964

3. BrennstoffanalysenDer Ablauf eines thermodynamischen Prozesses wird wesentlich durch die Elementar-zusammensetzung sowie die verbrennungstechnischen und physikalisch-mechanischen Eigenschaften beeinflusst, durch die die Biomassen gekennzeichnet sind. Die Brennstoff-analysen, bestehend aus Immediat- und Elementaranalyse, sowie die Bestimmung des Heizwertes stellen die Grundlage für alle nachfolgenden Untersuchungen dieses Projektes dar. Diese Daten sind auch für die Erstellung von Massen- und Energiebilanzen notwendig. Die Ergebnisse der Analysen der Gehalte an Asche (A), Flüchtige Bestandteilen (FB) und Fixen Kohlenstoff (Cfix) sind der Abbildung 4 zu entnehmen.

Abb. 4: Kurzanalyse der untersuchten Biomassen

Da der Wassergehalt der untersuchten Proben stark schwankt, werden die Ergebnisse auf den wasserfreien Zustand bezogen, um sie vergleichen zu können. Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen erlaubt Aussagen über die Zündfähigkeit in einer Feuerungsanlage. Alle unter-suchten Biomassen charakterisieren sich durch einen hohen Gehalt an flüchtigen Bestandtei-len (zwischen 69 bis 81 Ma.-%), wobei der Referenzbrennstoff (Holzhackschnitzel) das obere Ende markiert. Der Aschegehalt hat sowohl Auswirkungen auf die Schadstoffemissionen als auch auf die technische Auslegung einer Feuerungsanlage. Mit zunehmendem Aschegehalt steigt der Aufwand für eine notwendige Entstaubung. Außerdem erhöht sich der Aufwand für die Verwertung bzw. Entsorgung der anfallenden Verbrennungsrückstände. Von allen untersuchten Biomassen besitzen Haselnussschalen mit 1,1 % den geringsten Aschegehalt. Die anderen Biomassenarten weisen einen höheren (bis 15 %) Wert auf.In Abbildung 5 sind die Ergebnisse der Elementaranalyse als Differenz zum Referenz-brennstoff in Spinnennetzdiagrammen dargestellt. Für die Umweltbelastung sind die Stickstoff- und Schwefelgehalte besonders wichtig. Die NOx-Bildung nimmt mit steigendem Stickstoffgehalt im Brennstoff zu. Der Schwefelgehalt im Brennstoff bestimmt primär die Schwefeldioxid (SO2)-Emission.

0

A FB Cfix

20

40

60

80

100

17,5 18,9 19,9 18,0 17,1 19,1 19,1 13,3 22,6 16,9 16,8 16,1 18,7 15,8 15,2 19,3

80,6 77,8 75,8 76,4 73,9 71,2 75,2 74,4 76,4 72,4 72,9 69,0 73,7 70,6 80,3 71,0

2,0 3,7 4,7 6,2 9,0 10,1 5,9 12,8 1,1 10,5 10,9 15,0 7,9 13,8 4,7 9,8

Holzh

acks

chni

tzel

KUP

1: W

eide

KUP

2: P

appe

l

KUP

3: R

obin

ie

Wei

zens

troh

Zuck

erhi

rse-S

ilage

Hirsc

hgra

s

Switc

hgra

s

Hase

lnus

sscha

len

Grün

schn

itt

Getre

ider

estst

offe

Reiss

pelze

n

Röstk

affe

estä

ube

Rohk

affe

esta

ub

Bier

trebe

r

Gärre

ste

AnteilMa.% wf.

Holzartig Halmgutartig Frücht. Landwirtschaft Lebensmittelind. Zersetz.

965

Prozessorientierte Biomassebewertung

Abb. 5: Elementaranalysen als Differenz zum Referenzbrennstoff HHS (Ma.-%, wasserfrei)

-1

0

1

2

3

4C

H

O

N

S

Cl

HHS WeidePappel Robinie

Holzartige Biomasse

-5

0

5

10

15

20

25C

H

O

N

S

Cl

HHS Weizenstroh ZuckersilageHirschgras Switchgras

Halmgutartige Biomasse

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1C

H

O

N

S

Cl

HHS Haselnuss

Fruchtstämmige Biomasse

-2

0

2

4

6

8C

H

O

N

S

Cl

HHS GetreidereststoffeReisspelzen Grünschnitt

Landwirtschaftliche Rückstände

-2

0

2

4

6

8

10C

H

O

N

S

Cl

HHS RohkaffeestaubRöstkaffeereste Biertreber

Rückstände der Lebensmittelproduktion

-202468

10121416

C

H

O

N

S

Cl

HHS Gärreste

Zersetzungsrückstände

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

966

Aus den Ergebnissen kann man sehen, dass die einzelnen Biomassen in den eingeteilten Gruppen ähnliche Zusammensetzungen aufweisen. Zum anderen sind zum Teil deutliche Unterschiede hinsichtlich Chlor-, Schwefel- und Stickstoffgehalt erkennbar. Reste aus der Lebensmittelproduktion besitzen die höchsten Schwefel- und Stickstoffgehalte.

4. Kalorische WerteBei thermischen Umwandlungsvorgängen ist die Kenntnis der im Brennstoff gebundenen Energie in Form des Heiz- und Brennwertes ein wichtiges Kriterium für dessen Einsatz in einem bestehenden Kraftwerk oder für die Auslegung einer Neuanlage. Ist beispiels-weise der Heizwert der Biomasse geringer als der des Referenzbrennstoffes, so wird eine entsprechend größere Brennstoffmenge benötigt, um die Feuerungsanlage im gleichen Lastbereich zu betreiben. Verbunden damit sind wiederum Anpassungen im Bereich der Brennstofflagerung und des -transportes.Die Ermittlung von Heiz- und Brennwert kann sowohl experimentell als auch theoretisch erfolgen. Für Biomassen erfolgt die experimentelle Ermittlung des Brennwertes entspre-chend der DIN EN 14918 im sog. Bombenkalorimeter. Dabei wird der Brennstoff in einer oxidierenden Sauerstoffatmosphäre vollständig verbrannt. Die an das Kalorimeterwasser übertragene Wärmemenge entspricht dem Brennwert des Brennstoffes, d.h. der Verbren-nungswärme zuzüglich der Verdampfungsenthalpie des bei der Verbrennung freigesetzten Wassers. Die um diese Verdampfungsenthalpie verminderte Verbrennungswärme wird als Heizwert bezeichnet. In der Regel ist für die Energiebilanz einer Feuerungsanlage vor allem der Heizwert von Bedeutung, da i.d.R. keine Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes stattfindet. In Abbildung 6 ist der Heizwert (wasserfrei) der untersuchten Biomassen im Vergleich zu Holzhackschnitzeln dargestellt. Es zeigt sich, dass die meisten Biomassen einen zum Teil deutlich geringeren Energieinhalt besitzen als HHS. Lediglich Haselnussschalen und Biertreber besitzen einen höheren Heizwert.Für den Fall, dass kein Zugang zu experimentell ermittelten Daten besteht, sind Gleichungen zur Abschätzung des Energieinhaltes eines Brennstoffes nützlich. Ausgehend von den brenn-baren Bestandteilen im Brennstoff lassen sich Zusammenhänge zum Heiz- und Brennwert ableiten. Benötigt werden hierbei entweder die Elementarzusammensetzung oder der Anteil der flüchtigen Bestandteile und des fixen Kohlenstoffs (vgl. Kap. 3 Brennstoffanalysen). So wird bspw. mit Hilfe der Gleichung von Dulong (auch als Verbandsformel bezeichnet) der Heizwert des Brennstoffes aus den Heizwerten der Einzelelemente berechnet:

hu,an = 33,9 • ξC,an + 10,5 • ξS, an + 121,4 • ( ξH, an – ) – 2,44 • ξwξO,an8 (Gl. 1)Durch eine statistische Anpassung dieser Gleichung an experimentelle Daten wurde von BOIE eine erweiterte Gleichung entwickelt.

hu,an = 34,8 • ξC,an + 93,9 • ξH,an – 10,8 • ξO,an + 10,5 • ξS, an + 6,3 ξN,an – 2,44 ξw

(Gl. 2)

Ähnliche Gleichungen sind auch für den Brennwert verfügbar, z. B. nach Mott & Spooner.

(Gl. 3)

In Anlehnung an die Vorgehensweise von Dulong und Boie haben verschiedene Autoren weitere Gleichungen für den Heiz- und Brennwert entwickelt [z.B. 5]. Aus der Kohlecharak-terisierung sind Gleichungen verfügbar, die den Heiz- oder Brennwert mit den flüchtigen

ho,wf = 33,6 • ξC,wf + 141,8 • ξH, wf – ( 15,3 – 0,072 • ξO, wf ) + 9,41 • ξS,wf

967

Prozessorientierte Biomassebewertung

-20 -15 -10 -5 0 5 10

rel. Abweichung zum Referenzbrennstoff (wf) %

Heizwert im Vergleich zum Referenzbrennstoff HHS

Weide Pappel Robinie

Weizenstroh Zuckersilage HirschgrasSwitchgrasHaselnuss

Getreidereststoffe Reisspelzen Grünschnitt

Rohkaffeestaub Röstkaffeestaub Biertreber

Gärreste

Holzartig:

Halmgutartig:

Fruchtstämmig:

Landw. Reststoffe:Lebensmittel-reststoffe:Zersetzungs-reststoffe:

Abb. 6: Heizwertvergleich der untersuchten Biomassen

Mott & Spooner YIN 1 YIN 2 Dulong Boie Gumz undNeubauer

MW % 2,09 -1,42 -1,26 -3,10 0,18 -6,23 MIN % -1,78 -3,82 -10,55 -10,21 -4,21 -22,96 MAX % 4,97 0,43 3,96 2,58 4,39 2,53

-25

-20

15

10

-5

0

5

10

rel. Abweichung%

Abb. 7: Vergleich von Brennwert- und Heizwertformeln

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

968

Verbindungen oder dem Heizwert korrelieren (Auswahl siehe z.B. [6]). Aber auch hier haben Autoren für verschiedene Brennstoffe eine Anpassung an experimentelle Daten vorgenommen [z.B. 5].

ho,wf = 29,49 • ξC,wf + 82,50 • ξH, wf (Gl. 4)

In Abbildung 7 sind die Mittelwerte und die Standardabweichung der rel. Abweichungen für die betrachteten Biomassen dargestellt. Vor allem die Brennwertformel nach [5] und die Heizwertformel von BOIE geben die gemessenen Daten recht gut wieder.

5. AscheschmelzverhaltenJe nach Verfahrenskonzept und eingesetzter Reaktortechnik liegt die mineralische Substanz der zugeführten Brennstoffe unter den entsprechenden Reaktionsbedingungen entweder fest, flüssig oder dampfförmig vor. Gasförmige Ascheverbindungen existieren in Abhängigkeit der mineralischen Zusammen-setzung und Betriebsbedingungen in den meisten Fällen als intermediäre Phase. Durch Kon-densation an Kühlflächen (Feuerraumwänden, Kesselbereiche) werden sie in Abhängigkeit der Temperatur, Stöchiometrie und Zusammensetzung i.d.R. zunächst flüssig und anschlie-ßend fest bzw. resublimieren und können je nach Zusammensetzung zu unerwünschtem Verschlacken an Feuerraumwänden, zur Belagsbildung und Korrosion an Kesselrohren führen. Um das Ascheschmelzverhalten in Abhängigkeit der Atmosphäre und Tempe-ratur vergleichend zu bestimmen, existieren entsprechende Normen (CEN 15370-1 bzw. DIN 51730). Beide Verfahren werden in diesem Projekt eingesetzt, um mögliche Unter-schiede im Ascheschmelzprozess zu untersuchen (zwei Forschungsstellen haben die Proben nach der CEN 15370-1 und die anderen beiden Partner nach der DIN 51730 untersucht). Abweichend von der nach DIN 51730 vorgeschriebenen Veraschungstemperatur von 815 °C nach DIN 51719 wurden mit einer Ausnahme bei Zuckerhirsesilage alle Aschen bei 550 °C nach CEN/TS 14775 hergestellt. Beim Ascheschmelzverhalten werden vier charakteristische Temperaturen definiert: Sinter-beginn (SST), Erweichungstemperatur (DT), Halbkugeltemperatur (HT) und Fließtempe-ratur (FT). Die genaue Bestimmung ist der Norm zu entnehmen. Für die in Kapitel 1 ge-nannten Biomassen wurden bei allen Partnern bei 550 °C unter oxidierenden Bedingungen die Aschen erzeugt und anschließend im Methodenvergleich das Ascheschmelzverhalten untersucht. Trotz der jeweils genormten Vorgehensweise gibt es erwartungsgemäß Unter-schiede, hier dargestellt am Beispiel der Erweichungstemperatur (Abbildung 8).Die Unterschiede sind häufig u. a. auf die nicht immer exakt mögliche optische Identifikation des Erweichungspunktes zurückzuführen. Dennoch liegen die Abweichungen in einem vertretbaren Rahmen. Auch der Methodenvergleich der CEN mit der DIN-Norm zeigt insgesamt -mit Ausnahme von Weizenstroh- eine zufriedenstellende Übereinstimmung.Generelle Aussagen, dass z.B. die Erweichungstemperaturen holzartiger Biomasse ge-genüber halmartigen Biomassen grundsätzlich höher seien, sind nicht zulässig, wie das Beispiel von HHS und Switchgras zeigt. Die Erweichungstemperatur von Switchgras liegt mit etwa 1.300 °C etwa 80 °C oberhalb der Temperaturen von HHS. Damit befinden sich diese Temperaturen in der Größenordnung von Werten für Steinkohle.In Abbildung 9 sind die Ergebnisse für die Ermittlung des Ascheschmelzverhaltens un-ter reduzierenden (Mischung aus H2 und CO2) und oxidierenden (Luft) Bedingungen für Aschen von Zuckerhirsesilage bei unterschiedlichen Veraschungstemperaturen von 550 °C und 815 °C dargestellt.

969

Prozessorientierte Biomassebewertung

Abb. 9: Charakteristische Temperaturen für unterschiedliche Atmosphären

Die Biomassen wurden allerdings alle unter oxidierenden Bedingungen verascht. Insgesamt bestätigt die Auswertung die gängige Praxis, dass die charakteristischen Temperaturen, die unter reduzierenden Bedingungen gemessen wurden, im Mittel 100 °C unterhalb der Temperaturen liegen, die bei oxidierenden Bedingungen gemessen wurden. Diese Erfahrung findet sich auch bei Ergebnissen von 815 °C Veraschungstemperatur wieder.

Um die häufig aufwändigen und kostenintensiven Untersuchungen zum Ascheschmelz-verhalten zu reduzieren, wurden Näherungsformeln mit den Bestandteilen der Asche, die üblicherweise im Rahmen einer Elementar- und Spurenanalyse ermittelt werden können,

1.700

1.500

1.300

1.100

900

700

Erweichungstemperatur°C

500 HHS Energiegras Energiegras Weizen- Zuckerhirse- Reis- Getreide- Grün- Biertreber, Röstkaffee- (Nadel- Hirschgras Switchgras stroh silage spelzen reststoffe schnitt trocken staub Laubholz)Forschungsstelle 1 DT 550 °C (ox) 1.145 – – 1.145 931 > 1.439 1.092 – 933 –Forschungsstelle 2 DT 550 °C (ox) 1.270 800 1.360 1.080 1.020 1.520 1.090 1.190 > 1.600 1.300Forschungsstelle 3 DT 550 °C (ox) – 790 1.313 – – 1.256 1.082 1.190 – –Forschungsstelle 4 DT 550 °C (ox) 1.220 760 1.320 860 980 1.570 1.060 1.190 1.550 1.250

Holzartig Halmartig Reste aus der Landwirtschaft Sonstige Reststoffe

Forschungsstelle 1 u. 2: CEN 15370-1; Forschungsstelle 3 u. 4: DIN 51730

Abb. 8: Erweichungstemperaturen der Aschen, die bei den einzelnen Projektpartnern ermittelt wurden

Vergleich des Ascheschmelzverhaltens von Zuckerhirsesilage unter oxidierenden

und reduzierenden Bedingungen (an Asche 550 °C)

Vergleich des Ascheschmelzverhaltens von Zuckerhirsesilage unter oxidierenden

und reduzierenden Bedingungen (an Asche 815 °C)

Fließ-temperatur

oxidierend reduzierend

Halbkugel-temperatur

Erweichungs-temperatur

Sinter-beginn

Fließ-temperatur

Halbkugel-temperatur

Erweichungs-temperatur

Sinter-beginn

970850

1.020890

1.1201.040

1.2401.100

970890

1.020900

1.1401.050

1.2201.090

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

970

abgeleitet und korreliert. Aus Mundus [7] ist beispielhaft in Abbildung 10 die Berechnung der Erweichungstemperatur im Vergleich mit einer Messung dargestellt. Je nach Brennstoff können die Abweichungen bis zu 400 °C wie im Falle des Biertrebers betragen.

Abb. 10: Gemessene und korrelierte Erweichungstemperaturen

Quelle: Mundus, B.: Vorlesungsskript Labor für Energietechnik, FH Münster, 2009

Für eine Einschätzung, ob ein neuer Brennstoff in eine bestehende Anlage zur Substitution des Regelbrennstoffs eingesetzt werden sollte oder nicht, ist eine solche Abschätzung zu ungenau und eine alleinige Entscheidung auf dieser Datenbasis hinsichtlich des Ascheer-weichungsverhaltens zu risikobehaftet.

Eigene Arbeiten vermindern die Abweichungen von den Messungen mit Ausnahme von HHS und Grünschnitt deutlich (Abbildung 11), dennoch sollte auch hier für belastbare Aussagen das Ascheschmelzverhalten experimentell bestimmt werden.

Die entsprechende Näherungsformel lautet:

Erweichungstemperatur°C

1.800

1.700

1.600

1.500

1.400

1.300

1.200

1.100

1.000

900

800

Holzartig Halmgutartig Reste aus derLandwirtschaft

Sonstige Reststoffe

Erweichungstemperatur (DT) Ascheschmelzmikroskop °CErweichungstemperatur (DT) Näherungsgl. °C

HHS

KUP1:

Weid

e

KUP2:

Papp

el

KUP3:

Robin

ie

Hirsch

gras

Switch

gras

Weize

nstroh

Zucke

rhirse

silage

Reissp

elzen

Getre

ideres

tstoff

e

Grünsc

hnitt

Biertr

eber,

…

Röstk

affees

taub

Rohk

affees

taub

Gärre

ste

mit folgender Vorgehensweise

Normieren der Ascheoxide auf 100 Ma.-%

Massenanteile der reinen Elemente bestimmen

Gültigkeitsbereich: K + Na + Fe + Mg < 45 Ma.-%

ϑHT = 1.055 – 5,6 ( K + Na + Fe + Mg ) + 6,8 ( Si + P )

ClBSClBS + SBS

+ 9,5 ( Ca + Al ) – 50 ( • ClBS )

971

Prozessorientierte Biomassebewertung

Weshalb die Abweichungen für HHS und Grünschnitt so hoch sind, bleibt in weiteren Un-tersuchungen zu klären. Da in thermischen Prozessen jedoch in Abhängigkeit der lokalen Betriebsbedingungen sich unterschiedliche Atmosphären und Temperaturen sowie Frei-setzungsraten insbesondere von SO2/SO3 und Chlor ergeben, bleibt auch die experimentelle Ermittlung des Ascheschmelzverhaltens nach den entsprechenden Normen nur ein erster Schritt, um eine grobe Vorauswahl des Verfahrens treffen zu können. Weitere vertiefende Untersuchungen im Hinblick auf die prozessorientierte Bewertung in entsprechenden Reaktoren sind notwendig.

6. Abschätzung VerschlackungsrisikoAus der Praxis der Biomasseverbrennung in Biomasseheizkraftwerken (z. B. Altholzverbren-nung, Strohverbrennung) ist die Bedeutung der aschebildenden Brennstoffkomponenten aus Betriebserfahrung hinlänglich bekannt [z.B. 8, 9]. So treten im Betrieb regelmäßig feuerungstechnische Probleme in Bezug auf Brennraumverschlackung und Korrosion auf. Die Ursachen hierfür sind komplex und hängen neben den Brennstoffeigenschaften auch von den Betriebsbedingungen und konstruktiven Eigenschaften der Anlage ab. Trotzdem wären quantifizierbare Kenngrößen zur Abschätzung des Verschlackungs- und Korro-sionsrisikos hilfreich. Neben experimentellen Methoden, z.B. dem Ascheschmelzverhalten nach DIN CEN/TS 15730, sind aus der Kohlecharakterisierung auch Verschlackungs- und Korrosionskennzahlen bekannt [6]. Die Basis bilden dabei die Aschezusammensetzung oder die im Brennstoff enthaltenen Haupt- und Spurenelemente. So setzt beispielsweise der Slagging-Index die Summer der basischen zu den sauren Aschebestandteilen ins Verhältnis.

Halbkugeltemperatur°C1.800

1.700

1.600

1.500

1.400

1.300

1.200

1.100

1.000

Holzartig HalmgutartigReste aus der

LandwirtschaftSonstige Reststoffe

gemessenberechnet

Holzh

acksch

nitzel

KUP1:

Weid

e

KUP2:

Papp

el

KUP3:

Robin

ie

Hirsch

gras

Switch

gras

Weize

nstroh

Reissp

elzen

Getre

ideres

tstoff

e

Grünsc

hnitt

Biertr

eber,

trocke

n

Gärre

ste

Abb. 11: Gemessene und korrelierte Halbkugeltemperaturen, ITC

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

972

(Gl. 5)

In Bezug auf das Korrosionsverhalten ist das Schwefel-Chlor-Verhältnis weit verbreitet.

RB/S =ξFe2O3 + ξCaO + ξMgO + ξNa2O + ξK2O

ξSiO2 + ξAl2O3 + ξTiO2

S/Cl =ξS,BSξCl,BS

MClMS

• (Gl. 6)

Für jede dieser Kennzahlen werden Bereiche definiert, die eine Gefährdungseinteilung in gering, mittel und groß angeben. Im Rahmen der Untersuchungen wurden bisher 13 Kennzahlen berücksichtigt. Bei den meisten Biomassen ist eine sehr starke Streuung des Gefährdungspotentials erkennbar. Ursache hierfür ist vor allem die Tatsache, dass die meisten Kennzahlen für den Brennstoff Kohle abgeleitet wurden. Aber die Komplexizitäten des Aschebildungsprozesses, der Verschlackung, Belagsbildung und Korrosion lassen sich nur schwer durch einfache Zusammenhänge abbilden.

7. AusblickBiomassen verschiedener Herkunft stellen Holzheizkraftwerke v.a. durch die anspruchsvol-len chemischen Zusammensetzungen vor große Herausforderungen. Dies gilt auch für die oft als Holzersatz genannten KUPs. Um nicht die Feuerungen und Abgasreinigungen massiv umzustellen oder zu ergänzen wäre es hilfreich, durch Änderungen der Verfahrensführung der thermochemischen Konversion Abhilfe zu schaffen. Dazu werden im weiteren Projekt-verlauf intensive wissenschaftliche Arbeiten in verschiedenen Reaktoren durchgeführt, welche Temperaturen und Atmosphären (→ Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung) variieren. Sollten dabei vielversprechende Ergebnisse herauskommen, sind großtechnische Versuche in kommerziellen Holzkraftwerken geplant.

Danksagung

Die vorgestellten Ergebnisse entstammen dem Vorhaben Prozessorientierte Biomasse-bewertung, gefördert durch das BMWi als IGF-Vorhaben über die GVT unter dem För-derkennzeichen 17223 BG/1.

8. Verwendete Quellen[1] Deutsches BiomasseForschungsZentrum (DBFZ); Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft

(TLL): Monitoring zur Wirkung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse. Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Na-turschutz und Reaktorsicherheit (BMU), FKZ 03MAP138, März 2012

[2] Transferstelle Bingen: Untersuchung von Biomasse- und Altholz(heiz)kraftwerken im Leis-tungsbereich 5 bis 20 MWel zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Gefördert durch VGB Power-Tech e.V., VGB-Nr. 302, Juni 2008

[3] Gaderer, M.: Wärmeversorgung mit fester Biomasse bei kleiner Leistung. Dissertation an der TU München, Januar 2008

[4] Kaltschmitt, M.; Hartmann, H.: Energie aus Biomasse-Grundlagen, Techniken, Verfahren. Ber-lin • Heidelberg: Springer-Verlag, 2001

[5] Yin, C.-Y.: Prediction of higher heating values of biomass from proximate and ultimate analyses. Fuel 90, 2011, S. 1128-1132

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Prozessorientierte Biomassebewertung

[6] Zelkowski, J.: Kohlecharakterisierung und Kohleverbrennung. VGB PowerTech Service, 2004

[7] Mundus, B.: Vorlesungsskript Labor für Energietechnik. FH Münster, 2009

[8] Spiegel, W.; Herzog, T.; Jordan, R.; Magel, G.; Müller, W.; Schmidt, W.: Korrosion in Biomasse-verbrennungsanlagen und Strategien zur Minmierung. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 5. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2008, S. 413-421

[9] Frandsen, F. J.: Ash Formation, Deposition and Corrosion When Utilizing Straw for Heat and Power Production. Doctoral Thesis, DTU Chemical Engineering, 2011

D. Bernhardt, A. Lyczkowska, H.-J. Gehrmann, T. Seufert , S. Vodegel

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